一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備和方法技術

本發明專利技術揭示了一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備，機械臂通過測試螺栓安裝在運動平臺的固定基座上，所述測試螺栓輸出測試信號經電荷適調器輸送至監測診斷系統，控制系統輸出控制信號至所述運動平臺。本發明專利技術能夠同時實現機械臂裝配環節中對螺栓裝配剛度的精確控制，以及在服役過程中螺栓約束剛度的實時監測，能夠根據監測結果準確快速地進行螺栓約束剛度的調節，避免盲目的重復性調節工作，實現了裝配控制與服役監測的一體化，簡化了系統結構，實現過程簡單易行，成本低，能有效避免因人員操作帶來的誤差，減少了人為因素的影響和對人員素質等因素的依賴，節省了人力成本，具有明顯的優勢。

Device and method for controlling assembly rigidity of mechanical arm bolt

The invention discloses a mechanical arm bolt assembly control device stiffness, mechanical arm is arranged on the fixed base motion platform by testing the test bolt bolt, output test signal by a charge regulator is transported to the monitoring and diagnosis system, the output control signal to the motion platform control system. The invention can realize the precise control of the bolt assembly stiffness of the mechanical arm assembly process, real-time monitoring and bolt in the course of service constraint stiffness, according to the monitoring results of accurate bolt restraint stiffness adjustment, avoid blind adjustment work, realize the control integration and service monitoring assembly, simplifies the system structure, the realization process is simple, low cost, can effectively avoid the error brought by the operator, to reduce the impact of human factors and the dependence on the quality of personnel and other factors, save manpower cost, has obvious advantages.

【技術實現步驟摘要】
一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備和方法
本專利技術涉及機器人設計控制領域，尤其涉及一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備和方法。
技術介紹
機械臂廣泛應用在機械加工、上下料、噴涂、精密裝配等作業中，機械臂的動態性能直接影響操作的精度，如機械臂的彈性變形或殘余振動，會嚴重影響精密加工領域的加工質量、工作效率以及系統壽命。因此，在設計階段需要對機械臂的動態性能進行分析。機械臂與驅動單元進行裝配固定，機械臂與驅動單元之間是一個耦合系統，同時機械臂也是由關節組裝而成的耦合系統。其中，兩部件裝配或組裝的相結合的部位稱為結合部。常見的結合部形式有焊接、鉚接和螺栓聯接等，其中螺栓聯接應用最為廣泛。結合部實質上是對機械臂提供約束作用，同時傳遞耦合系統的耦合作用，因此其對機械臂的動態性能具有重要影響，在分析機械臂的動態性能時就要考慮結合部的約束特性，同時在裝配設計時也要保證結合部的約束性能。結合部的剛度是一項重要的性能指標，在機械臂的動態特性分析時經常涉及。通常理論分析中所假設的完全剛性的約束(即約束剛度為無窮大)在實際中是難以實現的，在實際中只有當約束剛度“足夠大”時才能做這樣的近似處理。然而“足夠大”是一個模糊的概念，多大的約束剛度可以近似認為是完全剛性的約束，或者多大的約束剛度下才能保證機械臂具有理論分析一致的動態性能，還缺乏明確的指導和依據。如前所述，在機械臂的裝配或服役過程中還要保證螺栓結合部的剛度要求。約束剛度偏低，難以滿足足夠的剛度要求，影響螺紋聯接的剛性、密封性和防松能力，同時與理論分析結果存在一定的差異；約束剛度過高，雖然保證了約束剛度要求，但會出現過度約束，從而對螺栓以及機械臂結構本身的疲勞強度都將產生不利影響。因此，如何對螺栓結合部的約束剛度進行有效準確的控制，使螺栓結合部的剛度處于最佳狀態，對保證和分析機械臂的動態性能具有重要的實際意義。首先，在裝配過程中要準確保證螺栓結合部的約束剛度。現有關于螺栓聯接的緊固方法，通常是采取扳手擰緊法、扭矩控制法、超彈性控制法、屈服點擰緊法等，這些方法控制的是預緊力大小，不能直觀反映和控制螺栓結合部的約束剛度，從而不能準確控制螺栓結合部的約束剛度，也就不能有利保證機械臂的動態性能指標。其次，由于長期服役、運動沖擊、震動、交變載荷以及溫度的影響，螺紋聯接常發生松脫現象，螺栓結合部的約束剛度會發生改變，從而與裝配時的約束剛度存在一定的差異，因此需要對機械臂服役的過程中螺栓結合部的約束剛度進行監測。現有關于螺栓聯接的控制方法，僅是在裝配緊固環節控制預緊力大小，對機械臂服役過程中螺栓結合部的約束剛度還缺乏有效的監測，難以及時的進行調節控制。專利CN201310001169.4公開了一種測試高強螺栓結合面法向靜態特性裝置及方法，專利CN201010264691.8公開了一種測試結合面動態特性裝置及方法，但是其裝置和方法是對裝配好的螺栓結合部進行測試分析，而不是裝配過程中結合部的剛度變化，另外其得到的是結合部的整體剛度，難以識別引起整體剛度變化的某個螺栓，無法準確快速地進行調節控制。專利CN201110030989.7公開了一種核主泵用螺栓松動監測裝置及其監測方法，其采用的是CCD數字相機和圖像識別模塊，成本較高，通過螺栓標注的刻度線與參照物的相對跨度進行監測，難以實現高精度或微小量變化的監測尤其是軸向量變化的監測。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是實現一種集機械臂螺栓裝配剛度的控制和監測功能于一體的系統,在裝配環節，直觀精確地反映和控制螺栓的約束剛度；在機械臂服役過程中，對螺栓的約束剛度進行實時監測，根據監測結果能夠準確快速地進行調節控制。為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案為：一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備，機械臂通過測試螺栓安裝在運動平臺的固定基座上，所述測試螺栓輸出測試信號經電荷適調器輸送至監測診斷系統，控制系統輸出控制信號至所述運動平臺。設備設有用于模擬測試螺栓裝配剛度和所需施加的預緊力的建模分析系統，所述建模分析系統包括求解模塊、有限元仿真模塊和擬合工具箱，所述求解模塊和有限元仿真模塊的結果輸送至擬合工具箱，所述擬合工具箱輸出顯示測試螺栓的建模結果。所述的求解模塊包括Simulink模塊和SimMechanics模塊，所述SimMechanics模塊將機械臂實體模型的模型參數和運動仿真的運動信號通過驅動模塊輸入給SimMechanics模塊，所述SimMechanics模塊將運動仿真的結果通過傳感模塊導入Simulink模塊的FFT求解模塊。所述的測試螺栓至少設有3個，每個所述測試螺栓的端面開有盲孔，所述盲孔內部埋設有壓電片，所述測試螺栓的信號輸出端通過數據傳輸線與電荷適調器連接，所述電荷適調器通過數據傳輸線與監測診斷系統連接，所述的監測診斷系統包括監測模塊、預警模塊和診斷模塊。所述運動平臺包括平移機構和旋轉機構。基于所述機械臂螺栓裝配剛度的控制設備的控制方法，其特征在于：步驟1、仿真獲得測試螺栓裝配剛度和所需施加的預緊力；步驟2、根據仿真結果施加預緊力，完成測試螺栓裝配剛度的設置：步驟3、監測步驟2中測試螺栓裝配過程以及機械臂的運動過程，，實時輸出測試螺栓的裝配剛度。所述步驟1中將機械臂與運動平臺之間的測試螺栓結合部位等效為線性直簧，建模分析系統獲得線性直簧不同剛度下機械臂的固有頻率；機械臂與運動平臺之間的測試螺栓結合部位設置不同的預緊力，建模分析系統獲得不同預緊力下機械臂的固有頻率；獲得剛度與預緊力之間的關系方程。剛度與預緊力之間的關系方程通過以下步驟得到：1)將剛度和對應的固有頻率、預緊力和對應的固有頻率輸入到擬合工具箱，確定約束剛度與固有頻率之間，以及預緊力與固有頻率之間的擬合曲線和關系方程，同時得到方程系數的取值置信區間；2)根據各階固有頻率分析時所占的比重，確定各階固有頻率的權重系數，以各階固有頻率的擬合誤差平方和最小為目標函數，在方程系數的取值置信區間內分別確定步驟1)中剛度與固有頻率之間的關系方程各系數的最優值，以及預緊力與固有頻率之間的關系方程各系數的最優值，最終確定剛度與固有頻率之間的關系方程，以及預緊力和固有頻率之間的關系方程；3)根據步驟2)中確定的剛度與固有頻率之間的關系方程，以及預緊力和固有頻率之間的關系方程，確定剛度與預緊力之間的關系方程；所述步驟2結合實際機械臂的結構尺寸，計算出機械臂的各階固有頻率，并通過剛度與固有頻率和預緊力之間的關系方程，確定測試螺栓所需的裝配剛度，以及每個測試螺栓所需施加的預緊力，所述測試分析系統預設有測試螺栓預緊力與壓電片輸出的壓電信號之間關系曲線或表格。所述步驟3中，預先設置測試螺栓裝配剛度的安全閾值，在機械臂靜止或運動的過程中，測試螺栓的輸出信號經過電荷適調器傳遞到監測診斷系統，通過監測診斷系統的監測模塊實時監測螺栓的裝配剛度，當螺栓的裝配剛度下降或小于所設置的安全閾值時，預警模塊發出警示信號；同時，診斷模塊對每個測試螺栓的輸出信號進行比較分析，判斷出裝配剛度改變的具體的某個測試螺栓的編號，實現螺栓裝配剛度的監測與反饋控制。本專利技術的優點在于:本專利技術的系統和方法能夠同時實現機械臂裝配環節對螺栓裝配剛度的精確控制，以及在服役過程中對螺栓約束剛度的實時監測，實現了裝配控制與服役監測的一體化，簡化本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備，其特征在于：機械臂通過測試螺栓安裝在運動平臺的固定基座上，所述測試螺栓輸出測試信號經電荷適調器輸送至監測診斷系統，控制系統輸出控制信號至所述運動平臺。

【技術特征摘要】
1.一種機械臂螺栓裝配剛度的控制設備，其特征在于：機械臂通過測試螺栓安裝在運動平臺的固定基座上，所述測試螺栓輸出測試信號經電荷適調器輸送至監測診斷系統，控制系統輸出控制信號至所述運動平臺。2.根據權利要求1所述的機械臂螺栓裝配剛度的控制設備，其特征在于：設備設有用于模擬測試螺栓裝配剛度和所需施加的預緊力的建模分析系統，所述建模分析系統包括求解模塊、有限元仿真模塊和擬合工具箱，所述求解模塊和有限元仿真模塊的結果輸送至擬合工具箱，所述擬合工具箱輸出顯示測試螺栓的建模結果。3.根據權利要求2所述的機械臂螺栓裝配剛度的控制設備，其特征在于：所述的求解模塊包括Simulink模塊和SimMechanics模塊，所述SimMechanics模塊將機械臂實體模型的模型參數和運動仿真的運動信號通過驅動模塊輸入給SimMechanics模塊，所述SimMechanics模塊將運動仿真的結果通過傳感模塊導入Simulink模塊的FFT求解模塊。4.根據權利要求1、2或3所述的機械臂螺栓裝配剛度的控制設備，其特征在于：所述的測試螺栓至少設有3個，每個所述測試螺栓的端面開有盲孔，所述盲孔內部埋設有壓電片，所述測試螺栓的信號輸出端通過數據傳輸線與電荷適調器連接，所述電荷適調器通過數據傳輸線與監測診斷系統連接，所述的監測診斷系統包括監測模塊、預警模塊和診斷模塊。5.根據權利要求4所述的機械臂螺栓裝配剛度的控制設備，其特征在于：所述運動平臺包括平移機構和旋轉機構。6.基于權利要求1-5中任一項所述機械臂螺栓裝配剛度的控制設備的控制方法，其特征在于：步驟1、仿真獲得測試螺栓裝配剛度和所需施加的預緊力；步驟2、根據仿真結果施加預緊力，完成測試螺栓裝配剛度的設置：步驟3、監測步驟2中測試螺栓裝配過程以及機械臂的運動過程，，實時輸出測試螺栓的裝配剛度。7.根據權利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述步驟1中將機械臂與運動平臺之間的測試螺栓結合部...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉玉飛，訾斌，于華，張席，許德章，楊雪鋒，錢森，蘇學滿，路恩，鞠錦勇，
申請(專利權)人：安徽工程大學，
類型：發明
國別省市：安徽,34